автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Установка для пневматической механоактивации цемента

На правах рукописи

Овчинников Дмитрии Анатольевич

УСТАНОВКА ДЛЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТА

05.02.13 -■ Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ ¿413

00505оЬо#

Белгород 2013

005058637

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Уваров В:шерий Анатольевич

Абрамов Валерий Васильевич доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой машин и оборудования заводов строительных материалов, изделий и конструкций

Московской государственной академии коммунального хозяйства и

строительства,

Шарапов Рашид Ризаевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой подъемно-транспортных и дорожных машин БГТУ им. В.Г. Шухова

Ведущая организация:

ФГБОУВПО

государственный

университет»

«Липецкий технический

Защита диссертации состоится «15» мая 2013 года в 10- часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в ндучно-технической библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический универси тет им. В.Г. Шухова».

Автореферат диссертации разослан «11» апреля 2013 г.

варов В. А.

Ученый секретарь диссертационного совета^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. По планам правительства РФ к 2014 г, строительная отрасль должна достичь уровня развитых стран по объему ввода жилья на 1 человека (1 м2/чел или 140 млн. м2 в год). В 2012 году, по информации Минэкономразвития, ввод жилья составил 60,0 млн.м2.

Основой современного строительства, особенно крупнопанельного и монолитного, являются бетонные изделия и железобетонные конструкции. Но, несмотря на многие замечательные качества, бетон относится к весьма затратным строительным материалам. При этом наиболее дорогостоящей составляющей бетона является цемент.

Цемент-это дорогой и достаточно востребованный материал, кроме того сегодня его перерасход в строительстве очень велик. Нехватка качественных заполнителей для бетона, несоответствие фактической и заявленной марки цемента, грубые нарушения правил транспортировки и хранения (цемент любой марки и любого производителя при хранении теряет от 5 до 15 % своей активности за месяц) приводят к удорожанию строительства.

Лежалый цемент имеет низкую активность по ряду причин: агрегация в первую очередь тонких частиц (при приготовлении бетона размер частиц вяжущего приближается к песку, поэтому композита оптимальной структуры не образуется, много пор, высокое водопотребление, слабое пересыщение раствора и низкая прочность в итоге); карбонизация поверхности вследствие активного поглощения сначала влаги из воздуха, а следом углекислого газа - корка снижает скорость реакции частиц клинкерных минералов с водой при затворении.

Перечисленные факторы способны существенно изменить показатели активности цемента в худшую сторону, что заставляет увеличивать расход цемента для получения бетонных изделий нормируемых характеристик. Специфика производства изделий из бетона предполагает помимо точного соблюдения дозировок компонентов бетонной смеси, жесткий контроль основных физико-механических характеристик выпускаемой продукции.

Таким образом, для получения заданных показателей бетона (прочности) необходима частая корректировка состава смеси с учетом активности поступающего на предприятия цемента. Вынужденное увеличение расхода цемента для получения изделий нормируемых характеристик резко увеличивает себестоимость выпускаемой продукции и ставит производителя в жесткую зависимость от множества случайных факторов, оказывающих влияние на его активность. Одним из способов повышения активности цемента является механоактивация.

В связи с этим разработка новых видов оборудования для осуществления механической активации цемента непосредственно на месте получения товарного бетона и изделий на его основе, позволяющих повысить качество и снизить расход цемента, разработка методики расчета основных конструктивно-технологических параметров такого оборудования является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка рациональной конструкции и методики расчёта технологических и конструктивных параметров установки для пневматической механоактивации цемента.

Задачи исследований.

1. Разработать аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами пневматического

м еханоактиватора.

2. Выполнить моделирование работы смесительно-разгонного узла активатора.

3. Аналитически установить характер развития двухфазных струй в рабочей камере активатора.

4. Математически описать взаимодействие газодисперсных струй с зернистым слоем клинкера.

5. Разработать модель аэродинамического расчета пылевоздушного тракта установки для пневматической механоактивации цемента.

6. Провести исследования установки для пневматической механоактивации цемента в лабораторных условиях и осуществить внедрение промышленного образца.

Научная новизна заключается в получении:

- выражений устанавливающих взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами пневматического активатора;

- модели работы смесительно-разгонного узла и характера развития двухфазных струй в рабочей камере активатора;

- математических выражений для описания взаимодействия газодисперсных струй с зернистым слоем клинкера;

- аналитических зависимостей для аэродинамического расчета пылевоздушного тракта установки пневматической механоактивации цемента;

- уравнений регрессии, позволяющих определить рациональные режимы процесса измельчения в установке предложенной конструкции;

- новой патентно-чистой конструкции установки для пневматической механоактивации цементов.

Практическая ценность работы.

Заключается в создании математического аппарата для инженерного расчета конструктивно-технологических параметров установки для пневматической механоактивации цемента, в разработке новой патентно-чистой конструкции и её внедрении в промышленное использование, а также в рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов её работы.

Апробация работы.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение: на V Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2011), VI Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2012), V Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2013» (Москва, 2013).

Реализация работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики расчета рациональных конструктивных и технологических параметров, разработанный вариант установки внедрены в промышленных условиях в ООО «Архстрой» (г. Липецк), а также в учебный процесс Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова на кафедре «Механическое оборудование».

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 7 печатных изданиях, в том числе 2 работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах рекомендованных ВАК РФ. Получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные результаты работы и выводы. Работа

включает 170 страниц. 51 рисунок, 5 таблиц, список литературы из 165 наименований и приложения на 5 страницах.

Автор защищает.

- выражения, устанавливающие взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами пневматического активатора:

- модель работы смесительно-разгонного узла и характера развития двухфазных струй в рабочей камере активатора;

- математические выражения для описания взаимодействия газодисперсных струй с зернистым слоем клинкера;

- аналитические зависимости для аэродинамического расчета пылевоздушного тракта установки для пневматической механоактивации цемента;

- регрессионные зависимости предела прочности образцов при сжатии в 3-х суточном сроке твердения, предела прочности при сжатии в 28-ми суточном сроке твердения и экономия цемента в растворе после механической активации от входных конструктивно-технологических факторов;

- теоретически обоснованное конструктивное решение установки для пневматической механоактивации, позволяющее повысить качество изделий на основе цемента.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, обозначены научная новизна, практическая ценность, реализация и апробация работы, изложены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние и направления развития технологии и техники для механической активации цемента. Установлено, что механическая активация цемента находит широкое применение в производстве изделий на основе цемента. Выявлены технологические возможности механоактивированных цементов. Проанализированы существующие способы и виды оборудования для механической активации.

Предложена патентно-защищенная конструкция установки для пневматической механоактивации цемента (рис. I).

Рис. 1. Схема установки для пневматической механоактивации цемента Установка имеет внутренний корпус 1, разгонные трубки 2 с подведенными к ним соплами 3, соединенных общим коллектором 4, установленным по внешнему корпусу 5. камеру активации 6. шнековый дозатор 7 для подачи измельчаемого материала

через ротор-классификатор 8 с полой разбрасывающей тарелыо 9, по радиусу которой смонтированы отбойные лопатки ¡0 и цилиндрическая отбойная футеровка 11, клинкер 12 и патрубок для отвода готового продукта 13.

Энергоноситель, например сжатый воздух от компрессора, подается в коллектор 4 и поступает через сопла 3 во внутреннюю полость разгонных трубок 2. Активируемый материал - цемент, шнековым дозатором 7, подается на вращающуюся разбрасывающую тарель 9, откуда, за счет центробежной силы равномерно сбрасывается на цилиндрическую отбойную футеровку 11, где всасывается в зону действия истекающих из сопел 3 струй, захватывается ими и, разгоняясь в разгонных трубках 2. сталкивается со слоем цементного клинкера 12 в нижней части помольной камеры 6. Истирающая часть механоактивации, также обеспечивается за счет воздействий между частицами цемента в момент их соударения по касательной, в центральной части помольной камеры 6, что задается углом а. Активированный материал поступает в верхнюю часть камеры помола в зону действия вращающегося ротора-классификатора 8, где грубый продукт отбрасывается на стенки камеры и возвращается на домол, а готовый продукт, досгигший заданной степени измельчения (механоактивации), проходит через классификатор и удаляется через патрубок 13 на осаждение и нылеочистку.

Такое компоновочное решение установки имеет малую металлоемкость, занимает незначительные производственные площади и позволяет совместить в одном аппарате несколько процессов - механоактивацию, воздушную сепарацию, а при использовании горячего воздуха - еще и Сушку.

На основании вышеизложенного обозначены цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлено математическое описание процесса механоактивации цемента в пневматической установке. Исследованы геометрические параметры рабочей камеры установки. Расчетная схема рабочей камеры установки представлена на рис. 2

Положение совмещенного пятна по вертикали определяется формулой:

i, — и a cos2a + cos2y псп~"п лн т

sin la

(1)

Рис. 2. Схема рабочей камеры установки

Формула для угла наклона разгонных трубок ас, обеспечивающего заданное положение совмещенного пятна взаимодействия струй с клинкерной засыпкой имеет вид:

а = — | агсвт , 21

Л/; соз2у

(2)

Выражение для определения площади результирующего совмещенного пятна взаимодействия струй с клинкерным слоем:

5:

2Яп 1 (сое2а + соэ2у (соэ 2а - вт2 у) Э1П2 2а

(3)

Было проведено моделирование работы смесительно-разгонного узла активатора, схема которого представлена на рис. 3.

Л

и

Рис. 3. Схема смесительно-разгонного узла установки Роль камеры смешивания выполняет начальный участок разгонной трубки:

Кинетическая энергия потока имеет вид: И'

= ^-р ■ 2т-с/г =N ■ ~яг$грмъ.

(5)

Анализируя движение газоматериального потока в разгонной трубке получили средние скорости движения фаз на разгонном участке:

О,

и.

ГпРРт Р

о„

ь\

/„о-Р)р 1 -Р

(6)

Ro.To.po

Рис. 4. Профили скорости двухфазного потока в разгонной лрубке

Средняя скорость воздуха во входном сечении трубки 1-1 (рис. 4) равна:

вр1Ръ+Ъ„1р\ С'Р(Р\ + Р.Ра)

-7-= ^7-• (7)

] гт ]ггР\Ра

В зоне смешивания (сечение 2-2) в результате расширения рабочего воздуха и сужения поперечного сечения потока из-за интенсивного вихреобразования в пристенной области скорость воздуха достигает наибольшего значения:

= ' ■ (8)

Рг/сш

В начале разгонного участка (сечение 3-3) средняя скорость газовой фазы равна:

ср+о„

=---/о-,

лО-А)Лг'

В сечении 4-4 средняя скорость газовой фазы равна:

11 + И'4=М'з 1

(Ю)

Уравнение движения твердой фазы в безразмерном виде:

ей' „ Я^тЗ + и

--—' (П)

где ? = С = „, = 1- 4к"Л"< ч,. л = (1 - т)ц—- «т, с -

9(1пЯе.„,-0,9)г рг Мцл<11ТФ

Яе - , —— = —1 = 5 - коэффициент скольжения фаз.

иг И'

Для условий работы опытно-промышленной установки (^ср=20-40 мкм, Рг=ЗОООкг/м3, и>ср=60м/с, /т== 1,2 кг/м\ </,,,=0,017м, //д=1,8- 10"5Па с, Ф=1,2) получим: Яе-п,- 68000, 5т к= 0,0272 (¡\р, где с1ср измеряется в мкм.

Исследуя взаимодействие движущихся частиц цемента с зернами клинкерного слоя было выведено уравнение движения частиц по оси струи в виде:

¿о , . ,, т— = ЗяФ/ла?(и'-о), (12)

Л

Если выполняется условие, которому удовлетворяют частицы с размером меньшим граничного

б/ < с1п, = , , (13)

\2dprK,,

то скорость частицы определяется соотношением:

о = А:,С,е*'' + к2С2е'>7, (14)

Для более крупных частиц с размером с1>с1..,„ скорость частицы в рассматриваемом случае записывается так:

« = + Р2 + ¿г)' ' * ~ ^ ('5)

С,

где (с = аг^2(81К, <р=агЩ —.

'-г

Таким образом, характер взаимодействия частиц цемента со слоем клинкера зависит от соотношения их размера с граничным размером Лгр, который определяется конструктивно-режимными параметрами установки и физико-механическими свойствами частиц. При (с/<4р) преобладает истирающее взаимодействие, обусловленное эффектами касания и диффузии, а для (^>с/гр) характерно ударное взаимодействие, приводящее к разрушению частиц и абразивному износу зерен клинкера.

Разрушающее напряжение для клинкера равно егр=108Па. Скорость соударения ир. достаточная для создания такого напряжения равна:

12/ссг2

и = ,/—*^-<ЪЬм1с. (16)

яртЕ

Наибольший возможный прирост удельной поверхности частицы:

и2 (с/)-и*

=-(17)

Для удельной поверхности активированного цемента в целом получим соотношение:

5;=(1 ~ км ++Л5Д ою

Моделируя процесс сепарации цемента, получена функция разделения сепаратора:

яЯ1

01 '\ , 4я-3(л--1)Яп2Я(2у;^2

9

ТС Л

и граница разделения с/г:

(! = ■ 9(2-'-1)//„Ф0 (я/| " '' 1 \Ап\к-\)НпгК11р,Хк1

(19)

(20)

В результате расчета пылевоздушного тракта установки получен объемный расход подсасываемого наружного воздуха:

(21)

V Р

Полный расход отсасываемого вентилятором воздуха:

е = 0.+ ен+0пл- (22)

Получено соотношение для диаметра отводящего трубопровода О:

п -/) сгл».-'-''/ ' 10.2Ы гЧ.154 -0.107

0^0,53{7 (р/рт) а х ,м (23)

Определив расход отсасываемого воздуха и диаметры пневмотранспортных трубопроводов, определили их гидравлические сопротивления:

г

Л Р, =

(24)

Для получения требуемого расхода цементной аэросмеси необходимо в конце пылевоздушного тракта с помощью вентилятора создать разрежение, превосходящее полное сопротивление тракта АРг.

Отсюда следуют параметры вентилятора:

Реап=К3АРт, (25)

Вентилятор и режим его работы подбираются путем сопоставления характеристики вентилятора с необходимыми значениями параметров 2вент и Рвет.

Мощность привода вентилятора определяется по формуле:

1000^,„„,„,/,„

(26)

В третьей главе представлены план, программа и определены методики проведения экспериментальных исследований, описана лабораторная установка для пневматической механоактивации цемента в составе экспериментального комплекса, общий вид которого представлен на рис. 5, приведено описание и характеристики используемых контрольно-измерительных приборов, а также характеристики материалов, используемых для исследований. Выявлены основные факторы, влияющие на эффективность процесса механоактивации цемента в установке, установлены уровни их варьирования.

Рис. 5.Общий вид эксперименталного комплекса

Комплекс содержит: непосредственно саму пневматическую установку /, сепаратор 2 с загрузочной воронкой, циклон 3, вентилятор 4 и систему рукавных фильтров 5.

При определении рациональных значений конструктивных и технологических параметров работы установки для пневматической механоактивации цемента был реализован один из методов математического планирования эксперимента: центральный композиционный ортогональный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКОП 24. Уровни варьирования факторов определены по результатам поисковых экспериментов на следующих диапазонах значений: a (xj) -угол наклона сопел относительно оси камеры помола, 15-31 градусов; п\ (х2) - частота вращения ротора сепаратора, 310-620 мин"1; п2 (х3) - частота вращения ротора вентилятора, 3600-6000 мин"1; dT (xj - диаметр разгонных трубок, 16-24 мм. В качестве функций отклика, определяющих характер протекания процесса, выбраны: предел прочности при сжатии в 3-х суточном сроке твердения образцов, определяемый по ГОСТ 310.4-81 R3 (МПа); предел прочности при сжатии в 28-ми суточном сроке твердения образцов, определяемый по ГОСТ 310.4-81 /?28 (МПа): экономия исходного цемента в растворе после механической активации Э (%).

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, получены и проанализированы уравнения регрессии, осуществлен выбор рационального режима процесса механоактивации цемента в пневматической установке.

Влияние исследуемых факторов на предел прочности R3 при сжатии в 3-х суточном сроке твердения образцов, определяемый по ГОСТ 310.4-81 в кодированной форме имеет вид:

Яз = 1 1,588-0,559 х, + 0,846■ х2-0,713 ■ х3 -1,045 ■ х4 -

- 0,18xf - 0,68 ■ х22 - 0,38 ■ х3 -1,105 • х] - 0,3 13 ■ х, ■ х2 + 0.575 ■ х, ■ х3 + (27)

+ 0.788 • х, ■ х4 - 0,425 • х2 ■ х, - 0,263 ■ хг ■ х4 + 0,425 ■ х3 ■ х4

при а -23 град, пг=4800мин'1 :

1 - dT=]6 мм:

2 - à. : / 7 мм

3 - dr=20 мм,

4 — d,=23 мм ;

5 - dt-24 мм

при а~23 град и П\—49Пмин ':

1 - ni=3600мин'1 ;

2 — «1=3960мин ',

3 - нг=4800 мин'1 :

4 - Пг=5640мнн'\

5 - пг=6000 мгш'

при а=23 град и d^-20 мм. 1 - н :i- 3600 мин1 ; 1-42=396(1 мин':

3 - п2=4800 мин' :

4 - п2=5640 мин'1 :

5 - т-бПООмин'

Рис. 6. Графические зависимости й3(п\) и Лз(с/Т).

Анализ уравнения регрессии (27) по величине и знакам коэффициентов показывает, что наибольшее влияние на предел прочности при сжатии в 3-х суточном сроке твердения образцов, определяемый по ГОСТ 310.4-81 оказывает фактор х4 Ш - диаметр разгонных трубок. Отрицательный знак при факторе х4

свидетельствует о том, что с увеличением диаметра разгонных трубок предел прочности снижается, а при уменьшении - увеличивается. Это соответствует теоретическим положениям процесса механоактивации цемента в пневматической установке и подтверждает адекватность полученного уравнения регрессии.

Вторым по значимости является коэффициент при факторе х2 (п{) - частота вращения ротора сепаратора. Положительный знак при факторе х2 свидетельствует о том, что с увеличением частоты вращения ротора сепаратора предел прочности увеличивается, а при уменьшении - снижается.

Уравнение регрессии, характеризующее зависимость прочности раствора на основе механоактивированного цемента в 28-ми суточном сроке твердения в кодированной форме имеет вид:

+1,659-хг-1,062-*3 -2,175 -

2

R2lt =24,81 1 -0,868 ■ х.

0,0195 ■ л-, - i ,07 • х2 - 0,77 • х3 - 2,52 • x, -0,325-х, -х2 +1,313-л:, х3 +0,175 -х,-х4 -- 0,475 ■ х2 • х3 - 0,288 • х2 • + 0,25 ■ х3 ■ х4

(28)

при а ---23 град, п,=4800мин 1 - dr~I6 мм; 2-d,~17 мм ;

3 - dr=20 мм;

4 - dT=23 мм;

5 - d. 24 мм

при а=23 град и п,-49Пм1ш 1 - п2=3600 мин';

2-п2=396Пмин';

3- п2"4НШ) мин';

4 - п2=5640мин'1;

5 - п2~6000 мин'1

при а=23 град и ат=20мм; 1 - п2—3600 мин1; 1 п2=3960 мин',

3 - п2—4800 мин1;

4 - п2=5640 мин'1;

5 - н2=б000 мин'

Рис. 7. Графические зависимости Ri%(n¡) и Rwíd-r).

Наибольшее влияние на предел прочности Rls при сжатии в 28-ми суточном сроке твердения образцов, определяемый по ГОСТ 310.4-81 оказывает фактор х4 (с/т) -диаметр разгонных трубок. Отрицательный знак при факторе х4 свидетельствует о том, что с увеличением диаметра разгонных трубок предел прочности R2$ снижается, а при уменьшении - увеличивается. Например, при dT = 16 мм предел прочности /ÍM=24 МПа, а при увеличении dт до 24 мм предел прочности R2l снижается до 17 М Па, т.е. на 41%.

Наименьшее влияние на предел прочности Rn при сжатии в 28-ми суточном сроке твердения образцов, определяемый по ГОСТ 310.4-81 оказывает действие х,2.

Уравнение регрессии, характеризующее зависимость экономии Э исходного цемента в растворе после механической активации с достижением прочности.

соответствующей прочности раствора на основе Вольского песка и цемента марки ПЦ 500-Д0-Н ГОСТ 10178-85. производства ЗАО «Белгородский цемент» в 28-ми суточном сроке твердения, от исследуемых факторов в кодированной форме имеет вид:

3 = 12,8787 - 0,679 • х, + 2,557 • х2 - 2,264 ■ х3 - 3,216 ■ х4 + + 2,327 • х,2 - 3.425 х,г - 1,425 ■ х32 - 4,425 • х„2 -

(29)

-0.313-х,-х2+ 2,313-х, х3 -0,438-х,-х4--1,438 -х2 х, -0,688-х2 х4 -0,313 -х3 -х4

1 - с/,- /6 мм:

2 гЛ /7 мм:

3 - :/, =20 мм :

4 - с1,=23 мм ,

5 - 24 мм

<Ь, мм.

при а-23 град и и}'490 мин1

1 - /ь: 3601} мин !:

2 - 42=3960 мин ':

3 - п2=4800мин ':

4 — пг=5640 мин ':

5 - л2=6000 мин''

при а- 23 град и с!г~20 мм

1 - п2=3600м11н':

2 - щ—3960мин':

3 т=4800 мин'':

4 п2=3640 мин'1:

5 - п2=6000 мин'1

Рис. 8. Графические зависимости Э(п\) и Э(с/Т).

Наибольшее влияние на экономию исходного цемента в растворе после механической активации Э оказывает фактор х4 (с1т) - диаметр разгонных трубок. С увеличением диаметра разгонных трубок экономия исходного цемента Э снижается, а при уменьшении - увеличивается. Например, при с1т ~ 16 мм экономия исходного цемента Э = 9,5 %, а при увеличении с!т до 24 мм экономия исходного цемента Э снижается до 0%.

Второе по величине весовое влияние на формирование уровня функции отклика Э(Х|, х2, х3, х4) оказывает фактор х2 (п|)- частота вращения ротора сепаратора. С его увеличением Э - увеличивается. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения ротора сепаратора уменьшается количество частиц цемента более 60 мкм, в результате чего увеличивается удельная поверхность цемента и активность цемента, и, как следствие увеличивается экономия исходного цемента Э в растворе после механической активации с достижением прочности, соответствующей прочности раствора на основе Вольского песка и цемента марки ПЦ 500-Д0-Н ГОСТ 10178-85, производства ЗАО «Белгородский цемент» в 28-ми суточном сроке твердения.

В работе с помощью уравнений регрессии исследовано влияние конструктивно-технологических параметров на эффективность механической активации цемента в установке, приведены графические зависимости.

Используя уравнения (27, 28, 29), предоставляется возможность оптимизировать процесс механической активации в пневматической установке. Поиск экстремумов

осуществлялся исходя из следующих требований: значения предела прочности R}, Л28 и экономии цемента Э должны стремиться к максимуму:

( /?3 -> max, Л28 -> шах, Э -> max ).

Предпочтительным режимом работы установки для пневматической механоактивации цемента является: предел прочности при сжатии в 3-х суточном сроке твердения образцов, определяемый по ГОСТ 310.4-81 /?3 = 14,3 МПа; предел прочности при сжатии в 28-ми суточном сроке твердения образцов, определяемый по ГОСТ 310.4-81 Rj8 = 28,3 МПа и экономия цемента Э = 20% при следующих значениях варьируемых факторов: угол наклона сопел относительно оси камеры помола а = (15 -17) град; частота вращения ротора сепаратора п, = (490 - 670) мин" ; частота вращения ротора вентилятора п, = (3960 - 4800) мин"1; диаметр разгонных трубок d = ( 17 - 20) мм.

При этом достигается условие: R, -> тах,/?2Я -> шах,Э -> max .

В пятой главе приведены данные по промышленному внедрению опытно-промышленного образца установки для пневматической механоактивации цемента в условиях ООО «Архстрой» г. Липецк.

Опыт эксплуатации установки в промышленных условиях показал, что удельная поверхность исходного цемента марки ПЦ 500 ДО в результате механоактивации повышается с 3250 см2/г до 4800 см2/г, а остаток на сите Noos составляет 3,7 %.

Сравнительный анализ проб показал, что бетон, полученный с применением цемента, активированного в пневматической установке, по своему качественному составу превосходит характеристики бетона, полученного по стандартной схеме, с применением закупаемого не активированного цемента марки ПЦ 500 ДО.

Повышение степени активности цемента, позволило снизить сроки набора распалубочной прочности на 23 %, а также увеличить прочностные характеристики получаемой продукции до 28%. Уменьшение расхода исходного цемента в результате механоактивации позволило снизить в конечном итоге количество цемента в бетоне по массе на 15,4% при одновременном сохранении всех прочих показателей получаемых изделий, что также выразилось в ускорении сроков схватывания бетона при тех же условиях изготовления.

Таким образом установка для пневматической механоактивации цемента является предпочтительной для применения в производстве бетоно-раствора ООО «Архстрой» г. Липецк.

Выполнена оценка предполагаемой экономической эффективности от применения установки для пневматической механоактивации цемента цеха производства бетоно-раствора ООО «Архстрой». Предполагаемый месячный экономический эффект от реализации установки составил 968,38 тыс. руб./мес.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены основные направления развития и совершенствования техники и технологии механической активации материалов. Установлено, что при всем разнообразии существующих типов помольного оборудования, одним из перспективных видов оборудования для механоактивации вяжущих являются струйные агрегаты.

2. Предложена новая патентно-чистая конструкция пневматической установки, предназначенной для механической активации цемента.

3. Разработаны аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами пневматического активатора. Выполнено моделирование работы смесительно-разгонного узла активатора. Математически описано взаимодействие газодисперсных струй с зернистым слоем клинкера. Разработана модель аэродинамического расчета пылевоздушного тракта установки для пневматической механоактивации цемента.

4. Для проведения экспериментальных исследований разработана и изготовлена лабораторная установка. В соответствии с поставленными задачами определена методика проведения экспериментальных исследований. Выбран и обоснован план проведения многофакторного эксперимента, определены функции отклика, исследуемые факторы и уровни их варьирования.

5. Выявлены закономерности влияния исследуемых параметров: частота вращения ротора сепаратора п\, частота вращения ротора вентилятора п2 , диаметра разгонных трубок с1т и угла их наклона а на предел прочности Я3 при сжатии в 3-х суточном сроке твердения образцов балочек, предел прочности !<2» при сжатии в 28-ми суточном сроке твердения образцов балочек, экономию цемента Э в растворе после механической активации с достижением прочности образцов балочек, изготовленных и испытанных по ГОСТ 310.4-81, соответствующей прочности образцов балочек на основе Вольского песка и цемента марки ПЦ 500 ДО, производства ЗАО «Белгородский цемент» в 28-ми дневном сроке твердения. Установлена общая область расположения оптимумов по выходным параметрам, что подтверждается адекватностью квадратичных моделей.

6. На основании полученных уравнений регрессии осуществлен выбор рациональных параметров конструкции и технологических режимов работы установки при условиях, когда выполняется требование (/?.!, Я?,*, Э) ->тах. Установлено, что наибольшая эффективность процесса механоактивации цемента достигается при следующих значениях факторов: частота вращения ротора сепаратора - 490 - 620 мин"1; угол наклона разгонных трубок относительно оси камеры помола - 15-17 градусов; число оборотов ротора вентилятора - 3960 - 4800 мин ; диаметр разгонных трубок - 17-20 мм.

7. Изготовлен опытно-промышленный образец установки для пневматической активации цемента. Проведены его промышленные испытания в составе бетоно-растворного узла ООО «Архстрой», которые показали эффективность использования такого типа оборудования применительно к активации цемента. При удельном расходе энергоносителя 1,5 т/т реальная производительность установки составила 495 кг/ч по готовому продукту с удельной поверхностью до 4950 см2/г. Установлено, что повышение степени активности цемента за счет применения установки, позволило снизить сроки набора распалубочной прочности на 23 %, а также увеличить прочностные характеристики получаемой продукции от 7 до 28%.

8. Применение цементов с высокой степенью активности позволило снизить в конечном итоге количество цемента в бетоне марки В 15 по массе на 15,4% при одновременном сохранении всех прочих показателей получаемых изделий, что также выразилось в ускорении сроков схватывания бетона при тех же условиях изготовления.

9. Расчетное значение месячного экономического эффекта от использования пневмоструйной установки для механической активации за счет снижения расхода цемента при одновременном сохранении всех прочих показателей готовой продукции в условиях ООО «Архстрой» составит 968,38 тыс. руб./мес.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

а) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Овчинников, Д.А Исследование конструктивно-технологических параметров установки для пневматической механоактивации цемента / Д.А. Овчинников / Фундаментальные исследования, 2013 г. №4, Ч.З - С. 586 - 591.

2. Овчинников, Д.А Моделирование работы инжектора пневмоструйного активатора цемента / Д.А. Овчинников / Вестник БГТУ им.В.Г. Шухова. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2013 г. Выпуск 2. - С.73 - 78.

б) в других изданиях:

3. Овчинников, Д.А Установка для пневматической механоактивации цемента / Д.А. Овчинников, A.B. Уваров // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: Межвуз. сб. статей. Выпуск 9. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2010 г. С 249-250.

4. Овчинников, Д.А Установка для пневматической механоактивации цемента / Д.А. Овчинников, A.B. Уваров // Сб. научн. трудов Междунар. научно-техн. конф. молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2011. - Электронный ресурс.

5. Овчинников, Д.А Уменьшение себестоимости производства сборного железобетона с помощью пневмоструйной установки для механической активации цемента / Д.А. Овчинников, В.А. Уваров // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: Межвуз. сб. статей. Выпуск 11. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2012 г. С 268-272.

6. Овчинников, Д.А Уменьшение сроков набора распалубочной прочности ЖБИ с помощью пневмоструйной установки для механической активации цемента / Д.А. Овчинников, В.А. Уваров // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: Межвуз. сб. статей. Выпуск 11. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2012 г. С 273-275.

7. Овчинников, Д.А Установка для пневматической механоактивации цемента / Д.А. Овчинников, A.B. Уваров // Сб. научн. трудов Междунар. научно-техн. конф. молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2012. - Электронный ресурс.

8. Патент РФ №100431. Установка для пневматической механоактивации цемента. Овчинников Д.А., Уваров В.А., Уваров A.B. Опубл. В БИ №35, 2010 г.

Условные обозначения с/рт, - Диаметры разгонной трубки и сопла, м;

0^26'- угол разлета струи энергоносителя, истекающей в разгонную трубку; И- коэффициент Кориолиса (коэффициент кинетической энергии); и', и'т - среднерасходные скорости газовой и дисперсной фаз, м/с; гп - радиус разгонной трубки, м; р, рт- плотности газовой и дисперсной фаз. кг/м3; /рт- площадь поперечного сечения разгонной трубки, м; 0'т - массовый расход активируемого материала - цемента, приходящийся на одну разгонную трубку, кг/с;

Ср - массовый расход рабочего воздуха (энергоносителя), приходящийся на одну разгонную трубку, кг/с;

С„ - суммарный массовый расход инжектируемого (подсасываемого) воздуха, приходящийся на одну разгонную трубку, кг/с;

с;„ - суммарный массовый расход рабочего воздуха и инжектируемого (подсасываемого), приходящийся на одну разгонную трубку, кг/с;

и, = С/(//прт), и2 = О^У'^р) - фиктивные скорости, которые имели бы фазы, если бы они по отдельности полностью занимали все пространство разгонной трубки;

Р - объемная концентрация твердой фазы, т.е. суммарный объем всех частиц, находящихся в 1 м3 смеси, м3/м3;

р„ ОУСр коэффициент инжекции (подсоса) наружного воздуха; ро= Р</(ЯТ0) - плотность сжатого воздуха, кг/м3; /сж — площадь сжатого сечения, м;

Ри Р2<Рз - плотность сжатого воздуха в сечениях 1-1, 2-2, 3-3, кг/м ; Р\,Рг, Рз ~ объемная концентрация твердой фазы в сечениях 1-1, 2-2, 3-3, м /м ; Я - параметр поперечного профиля скорости струи; // - массовая концентрация твердой фазы; 5- коэффициент скольжения фаз;

С - коэффициент аэродинамического сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса;

р - средний размер частиц цемента, мкм; Ф= 1,2 - усредненный коэффициент формы частиц цемента; 1гср - средняя по длине трубки скорость воздушной фазы потока, м/с; Бгк - число Стокса для частиц исходного цемента, имеющих средний размер;

Ретр - число Рейнольдса для разгонной трубки;

¿тр=0,36 - коэффициент трения частиц цемента о стенки разгонной трубки; V— скорость частиц, м/с;

н>-1/ скорость воздуха относительно частиц, м/с; к\,к2- корни характеристического уравнения;

Си С2, постоянные величины, определенные из начальных условий; к<1 - эмпирический коэффициент; /;=Ю10Па - модуль упругости клинкера;

ир - разрушающая скорость частицы, м/с; и(с!) - фактическая скорость частицы (и(с/)>ир);

Л"=5,5 Дж/м2 - удельные энергозатраты на образование новой поверхности

Л, - функция распределения по остатку;

с[\ - характеристический размер;

п\ - коэффициент равномерности;

Н - высота зоны разделения, м;

/?„ - радиус лопаточного аппарата, м;

/?с - внутренний радиус корпуса сепаратора, м;

п - частота вращения ротора, 1 /с;

<2 - объемный расход запыленного воздуха;

рм - плотность частиц активированного цемента, кг/м ;

Ф(с1) - функция разделения сепаратора;

к~2,2 - показатель степени;

/•■„ - площадь неплотностей, м ;

Д/у=5Па;

дп - объемный расход подсасываемого наружного воздуха; От - подсосы наружного воздуха в местах соединений других элементов пылевоздушного тракта;

0„ - объемный расход рабочего воздуха; х — расходная концентрация материала;

/(,=1,1 - коэффициент запаса, учитывающий дополнительные потери напора и подсосы;

I/»™. - коэффициент полезного действия вентилятора (определяется по его характеристике);

_ коэффициент полезного действия передачи, зависящий от способа соединения вентилятора с электродвигателем.

Подписано и печать 09.04.13. Усл. печ. л. 1,4 _

Формат 60x84/16 Тираж 100_

Заказ №

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им.

В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

[ I

со см 00

«5

(О 8

со о

СМ £

тг Г

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

I

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В. Г. ШУХОВА»

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВ ДМИТРИИ АНАТОЛЬЕВИЧ

УСТАНОВКА ДЛЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ

ЦЕМЕНТА

Диссертация на соискание ученой степени

I

кандидата технических наук

I

' Специальность: 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(строительство)

Научный руководитель

I »

доктор технических наук, профессор

' I

Уваров Валерий Анатольевич

Белгород 2013

\

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ, НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТА.........................................................................10

1.1. Технологические возможности механоактивированных цементов....................................................................................................10

1.2. Анализ существующих способов и видов оборудования для механической активации........................................................................14

1.3. Струйные мельницы...............................................................................24

1.4. Анализ теории расчета основных параметров эжекторных струйных мельниц....................................................................................................36

1.5. Обоснование выбора предлагаемого конструктивно-технологического решения установки механической активации цемента.....................................................................................................40

1.6. Цель и задачи исследований..................................................................42

1.7. Выводы....................................................................................................43

2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПНЕВМОСТРУЙНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТА.............45

2.1. Физико-технические характеристики процесса пневматической

механоактивации.....................................................................................45

2.1.1. Теоретические аспекты выбора конструкции установки..........45

2.1.2. Геометрические параметры рабочей камеры установки...........48

2.1.3. Моделирование работы смесительно-разгонного узла активатора......................................................................................53

2.1.4. Анализ движения газоматериального потока в разгонной

трубке.............................................................................................64

2.2. Взаимодействие газодисперсных струй с зернистым слоем клинкера....................................................................................................69

2.2.1. Развитие двухфазных струй в рабочей камере

активатора.................................................................................................69

2.2.2. Взаимодействие частиц цемента с зернами клинкерного

слоя.................................................................................................74

2.2.3. Моделирование процесса механоактивации..............................80

2.3. Аэродинамический расчет установки для пневматической механоактивации цемента.......................................................................86

2.3.1. Моделирование процесса сепарации цемента............................86

2.3.2. Расчет пылевоздушного тракта установки.................................92

2.3.3. Расчет геометрических параметров установки..........................96

2.4. Выводы....................................................................................................99

ПЛАН, ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................101

3.1. План и программа экспериментальных исследований.....................101

3.2. Экспериментальное оборудование и средства контроля.................105

3.3. Методики проведения экспериментальных исследований и измерений...............................................................................................108

3.4. Характеристика исходного сырья.......................................................112

3.5. Выводы..................................................................................................113

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТА В ПНЕВМОСТРУЙНОЙ УСТАНОВКЕ...............................................................................................114

4.1. Получение уравнений регрессии, описывающих зависимость

R3, R28, Э от варьируемых факторов........................................................114

4.2. Анализ влияния варьируемых параметров на эффективность процесса механической активации в пневматической

установке................................................................................................123

4.3. Определение рациональных параметров процесса механоактивации цемента в пневматичесой установке...................................................136

4.4. Анализ зернового состава исходного и активированного цемента..................................................................................................142

4.5. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных....................................................................................................................148

4.6. Выводы..................................................................................................149

5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ.............................................................151

5.1. Описание промышленного комплекса...............................................151

5.2. Расчет экономической эффективности..............................................153

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ....................................................158

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЯ

176

ВВЕДЕНИЕ

По планам правительства РФ к 2014 г, строительная отрасль должна

достичь уровня развитых стран по объему ввода жилья на 1 человека

2 2 (1 м /чел или 140 млн. м в год). В 2012 году, по информации

Минэкономразвития, ввод жилья составил 60,0 млн. м .

Основой современного строительства, особенно крупнопанельного и монолитного, являются бетонные изделия и железобетонные конструкции. Надежность и долговечность, стойкость к воздействию агрессивных сред, отработанная технология производства, возможность регулирования физико-механических характеристик, наконец, практически неисчерпаемая сырьевая база для производства вяжущих материалов и заполнителей объясняет широкое распространение этого материала и позволяет рассматривать бетон, как основной элемент капитального строительства не только настоящего, но и будущего.

Но, несмотря на многие замечательные качества, в том числе и широкое распространение основных сырьевых компонентов, бетон относится к весьма затратным строительным материалам. При этом наиболее дорогостоящей составляющей бетона является цемент.

Цемент - это дорогой и достаточно востребованный материал, производство которого далеко не безупречно с точки зрения воздействия на окружающую среду, кроме того, сегодня его перерасход в строительстве очень велик. Нехватка качественных заполнителей для бетона, несоответствие фактической и заявленной марки цемента, грубые нарушения правил транспортировки и хранения (цемент любой марки и любого производителя при хранении теряет от 5 до 15 % своей активности за месяц) [30] приводят к удорожанию строительства.

Лежалый цемент имеет низкую активность по ряду причин: агрегация в первую очередь тонких частиц (при приготовлении бетона размер частиц вяжущего приближается к песку, поэтому композита оптимальной структуры

не образуется, много пор, высокое водопотребление, слабое пересыщение раствора и низкая прочность в итоге); карбонизация поверхности вследствие активного поглощения сначала влаги из воздуха, а следом углекислого газа -корка снижает скорость реакции частиц клинкерных минералов с водой при затворении.

Упомянутые причины могут значительно ухудшить характеристики активности цемента, что вынуждает увеличивать потребление цемента для производства бетонных изделий с нормируемыми характеристиками. Специфичность изготовления бетонных изделий предусматривает кроме строгого соблюдения дозировки компонентов бетона, жесткое контролирование основополагающих физико-механических характеристик готового продукта.

Так, для получения задаваемых характеристик бетона (прочности) необходимо часто корректировать состав смеси учитывая активность поступающего на предприятие цемента. Необходимое повышение потребления цемента для производства изделий с нормируемыми характеристиками резко повышает себестоимость готового продукта и становит производителей в жесткие рамки зависимости от многих независимых параметров, влияющих на его активность.

Представления об основных факторах, оказывающих влияние на физико-технические свойства цемента, позволяют со всей ответственностью говорить о том, что сегодня его возможности используется далеко не полностью. В то же время, высокие темпы строительства жилых и производственных зданий с новыми, а зачастую, просто уникальными архитектурными формами, требуют применения высокоактивных, быстротвердеющих цементов с регулируемыми физико-механическими свойствами. Поэтому, на наш взгляд, работы по увеличению активности товарного цемента с целью более полного использования его потенциальной энергии, представляются особенно важными.

Осуществление комплекса мероприятий по механоактивации цемента в условиях производства изделий из бетона помимо уменьшения расхода дорогого вяжущего, раскрывает возможность изготовления цемента, свойства которого могут регулироваться учитывая специфику производства.

В отдельном определенном строительном предприятии возможно принятие решения о наиболее рациональном применении результата механоактивации: уменьшение расхода цементов, изготовление изделий на основе бетона с повышенной прочностью, уменьшение срока набора изделием распалубочной прочности и др.

В связи с этим разработка новых видов оборудования для осуществления механической активации цемента непосредственно на месте получения товарного бетона и изделий на его основе, позволяющих повысить качество и снизить расход цемента, и разработка методики расчета основных конструктивно-технологических параметров таких механоактиваторов является актуальной задачей.

Цель работы: разработка рациональной конструкции и методики расчёта технологических и конструктивных параметров установки для пневматической механоактивации цемента.

Научная новизна заключается в получении:

- выражений устанавливающих взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами пневматического активатора;

-модели работы смесительно-разгонного узла и характера развития двухфазных струй в рабочей камере активатора;

-математических выражений для описания взаимодействия газодисперсных струй с зернистым слоем клинкера;

-аналитических зависимостей для аэродинамического расчета пылевоздушного тракта установки для пневматической механоактивации цемента;

-уравнений регрессии, позволяющих определить рациональные режимы процесса механоактивации в установке предложенной конструкции;

-новой патентно-чистой конструкции установки для пневматической механоактивации цементов.

Практическая ценность работы заключается в создании математического аппарата для инженерного расчета конструктивно-технологических параметров установки для пневматической механоактивации цемента, в разработке новой патентно-чистой конструкции и её внедрении в промышленное использование, а также в рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов её работы.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнялась в БГТУ им. В.Г. Шухова в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики расчета рациональных конструктивных и технологических параметров, разработанный вариант установки внедрены в промышленных условиях в ООО «Архстрой» (г. Липецк), а также в учебный процесс Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова на кафедре «Механическое оборудование».

Диссертационная работа рассмотрена на заседании кафедры «Механическое оборудование» в феврале 2013 года.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение: на V Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2011), VI Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2012), V Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2013» (Москва, 2013).

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 статей, в том числе 2 в изданиях аннотированных ВАК РФ, получен патент РФ на полезную модель.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные выводы, рекомендации и направления

дальнейших исследований. Работа включает 175 страниц, в том числе 129 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 53 рисунка, список литературы из 165 наименований и приложения на 5 страницах.

На защиту выносятся:

-выражения, устанавливающие взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами пневматического активатора;

-модель работы смесительно-разгонного узла и характера развития двухфазных струй в рабочей камере активатора;

-математические выражения для описания взаимодействия газодисперсных струй с зернистым слоем клинкера;

-аналитические зависимости для аэродинамического расчета пылевоздушного тракта установки для пневматической механоактивации цемента;

-регрессионные зависимости предела прочности образцов при сжатии в 3-х суточном сроке твердения, предела прочности при сжатии в 28-ми суточном сроке твердения и экономии цемента в растворе после механической активации от входных конструктивно-технологических факторов;

-теоретически обоснованное конструктивное решение установки для пневматической механоактивации, позволяющее повысить качество изделий на основе цемента.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ, НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТА

1.1. Технологические возможности механоактивированных

цементов

На фоне необходимости снижения удельного расхода дорогостоящих компонентов, современное строительство особенно остро нуждается в высокопрочных, быстротвердеющих бетонах. Становится совершенно очевидно, что практическое воплощение ресурсосберегающих технологий не возможно без проведения целого комплекса работ по увеличению активности цемента и снижению его расхода в строительстве.

На основополагающие свойства цементов, также как на активность и время твердения влияет не только химический и минералогический состав клинкера, содержание трехкальциевого алюмината, форма и размеры кристаллов алита и белита, наличие различных примесей, а также дисперсность, гранулометрический состав и форма частичек порошка.

Увеличение прочности цемента в начальное время твердения в высокой степени вызвано собственно тониной помола. Обычно измельчение портландцемента производят до остатка на сите № 008 5-8 % (по массе), быстротвердеющий цемент — до остатка 2-4 % и менее. Причем значения удельной поверхности соответственно достигают 2500-3000 и 3500-4500 см2/г и выше [30].

С увеличением тонины помола цемента увеличиваются его прочностные характеристики. Возрастание прочности цементного камня раскрывает возможность понижения затрат цемента при изготовлении изделий на основе бетона с нормируемыми показателями прочности.

Мероприятия, позволяющие наиболее полно расходовать массу частиц цемента в процессе склеивания разных гранул наполнителя в цельный

монолитный искусственный камнеобразный материал - называют активацией.

Впрочем, было бы неправильно рассматривать процесс повышения активности только с позиции повышения дисперсности частиц цемента. Кроме тонины помола, а, следовательно, площади поверхности контакта частиц цемента, на активность влияет и само строение данной поверхности. Под влиянием механической нагрузки на цементные частицы происходит отслоение поверхностной оксидной пленки с зерен, происходит возникновение физических дефектов в кристаллических решетках минералов, это заметно уменьшает время элементарных взаимодействий поверхностного слоя вяжущего с водой. Что приводит к сокращению времени набора цементом марочной прочности, большему использованию потенциальной энергии цемента.

По данным заводов производителей, цементный порошок в основном состоит из зерен размером от 5-10 до 40-80 мкм, но на практике цемент разных марок содержит до 20 % зерен более 80 мкм [163].

Известно, что разные фракции цементного порошка по-разному влияют как на прочность цементного камня, так и на скорость его твердения. В связи с этим ряд исследователей рекомендует характеризовать активность цемента не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновому составу.

Так, А. Н. Иванов-Городов [30] полагает, что равномерное и быстрое твердение цемента достигается при следующих зерновых составах: зерен мельче 5 мкм — не более 20 %, зерен размерами 5-20 мкм — около 40-45 %, зерен размерами 20-40 мкм — 20-25 %, а зерен крупнее 40 мкм — 15-20 %.

Многочисленные исследования, проводившиеся как в нашей стране, так и за рубежом, позволили выявить следующие зависимости между количеством зерен определенного размера и скоростью твердения цемента.

Так, частицы размерами 0-5 мкм оказывают решающее влияние на рост прочности цементного камня в первые часы твердения. Именно от частиц этог�